033住宅建筑封闭阳台温差修正系数的确定全文

住宅建筑封闭阳台温差修正系数的确定哈尔滨工业大学董重成燕山大学李岩摘要：就北方住宅建筑的封闭阳台，认为现有规范中对该部分墙体耗热量规定的温差修正办法存在着不足，需要综合考虑阳台构件的保温、密闭性能以及阳光的摄取量等因素；在稳态热平衡理论基础上的建立计算模型，综合北方住宅建筑封闭阳台的构造特点，归纳给出各类型封闭阳台的温差修正系数。关键字：封闭阳台温差修正系数保温性能0．引言最近几年北方寒冷地区的住宅建筑大都采用封闭阳台，在计算围护结构基本耗热量时，考虑到有些供暖房间的围护结构外侧并不是室外而是中间隔着阳台空间，此时通过该围护结构的传热量应为而不是(hnttKFq−=∑)()wnttKFq−=∑，因此需要加一个温差修正系数[1]，计算公式如下式：()nttKFqwn−=∑(0-1),wnhnttttn−−=(0-2)K―供暖房间所计算的围护结构的传热系数，W/(m2.℃)；F―供暖房间所计算的围护结构的传热面积，m2；tn、tw、th―分别为室内、外供暖设计温度，以及不供暖房间的空气温度，℃；n―围护结构温差修正系数。很显然，由于阳台的封闭，减少了供暖房间的耗热量，从节能角度看，具有一定的“被动的”保温性能。但是无论是在暖通设计手册还是节能设计标准[][]23，均没有给出可供具备封闭阳台特点的温差修正系数推荐值，其具体规定如下：1)．文献［2］中给出“与有外窗的不采暖房间相邻的隔墙取0.7”，封闭阳台确实可以归类为有外窗的不采暖房间，但是封闭阳台的式样很多，而且在随着节能技术的兴起，封闭阳台部分的构件（封闭窗、栏板）无论从保温性能和密闭性能上都有所改进，这使得原有规范中给出的推荐值已经不能满足设计人员的需要。图1、图2是对哈尔滨的一户节能建筑的南、北向封闭阳台的n值的实测数据以及与规范推荐值的误差。2)．文献［3］中没有直接给出封闭阳台的推荐n值，而是考虑阳台封闭后原围护结构1传热系数的修正系数iε发生了变化，隔墙和阳台门下部的iε给出了“南向iε＝0.5；东西向iε＝0.7；北向iε＝0.9”，根据不封闭阳台部分各项的iε对比，还原出的温差修正系数：南向，东西向，北向65.0≈n8.0≈n95.0≈n；对阳台窗和阳台门上部没有考虑阳台封闭后的温差修正。0.400.450.500.550.600.650.700.750.800.850.902001年2月1日2001年2月2日2001年2月3日2001年2月4日2001年2月5日2001年2月6日2001年2月7日2001年2月8日2001年2月9日2001年2月10日2001年2月11日2001年2月12日2001年2月13日温差修正系数北向阳台南向阳台规范推荐值图1封闭阳台的实测n值以及文献［1］的推荐n值05101520253035402001年2月1日2001年2月2日2001年2月3日2001年2月4日2001年2月5日2001年2月6日2001年2月7日2001年2月8日2001年2月9日2001年2月10日2001年2月11日2001年2月12日2001年2月13日相对误差(%)与北向阳台相对误差与南向阳台相对误差图2封闭阳台的实测值与文献［1］推荐值的相对误差从图2中可以看出，南向阳台的实测n值与推荐值的相对误差有30%，北向也有15%。这说明在计算阳台封闭部分的围护结构耗热量时，规范推荐的修正方法与实测产生了30%及15%的误差。就以上提出的问题，本文认为很有必要对当今封闭阳台的施工做法、构造特点进行细致的分析，给出合理的温差修正推荐值，改善计算方法，提高设计质量。1．计算方法的介绍将封闭阳台视为一个“集总热容空间”，即忽略空间空气的热阻，采用稳态热平衡法，即在室内、外计算温差下，房间传入阳台的热量Q1等于阳台传出室外的热量Q2，此时的封闭阳台计算温度为th。()hnttFKQ−⋅⋅=111(1-1)()()whwpttVcFKQ−⋅⋅⋅+⋅=ρ28.0222(1-2)2()VcFKFKtVcFKtFKtwpwwpnh⋅⋅+⋅+⋅⋅⋅+⋅+⋅⋅=ρρ28.028.02211,2211(1-3)对于北向阳台，将公式(1-3)代入(0-2)中，则有VcFKFKVcFKttttnwpwpwnhn⋅⋅+⋅+⋅⋅⋅+⋅=−−=ρρ28.028.0221122(1-4)对于朝阳向封闭阳台，则还需要考虑太阳辐射对阳台温度tn的影响给予一定的修正。设修正的系数为η（η在0~1之间），则上式变为:ηρρη⋅⋅⋅+⋅+⋅⋅⋅+⋅=⋅−−=VcFKFKVcFKttttnwpwpwnhn28.028.0221122(1-5)其中K1、K2—封闭阳台与室内、室外之间围护结构的平均传热系数，W/(m2.K)；F1、F2—不采暖建筑空间与室内、室外之间围护结构面积，m2；0.28—单位换算系数；cp—空气的定压比热容，kJ/(kg.℃)；V—渗风量，m3/h；2．封闭阳台的构造及热工性能对温差修正系数的影响以哈尔滨市常见的节能住宅建筑A和两种不节能住宅建筑B、C为研究对象，取北向“门联窗”挑式中间层封闭阳台作为算例，其构造热工参数见表1。封闭阳台的开间取值范围在2.1m~10.2m，共22种开间，分为四种开间形式，小开间（3.0m以内的开间）、大开间（大于3.0m的开间）、双小开间、双大开间；阳台进深取1.2m和1.5m两种；建筑层高为2.8m；阳台门尺寸为0.9m×2.0m，小开间阳台窗尺寸为0.6m×1.5m，大开间阳台窗尺寸为1.2m×1.5m，阳台栏板高度1.0m；双阳台视为整体阳台计算。表1建筑A、B、C封闭阳台的热工参数构件名称节能建筑A不节能建筑B不节能建筑C内墙墙体承重混凝土空心砌块外贴100mm聚苯板(K=0.37W/m2.℃)490mm实心粘土砖双面20mm水泥砂浆抹灰(K=1.25W/m2.℃)490mm实心粘土砖双20mm水泥砂浆抹灰(K=1.25W/m2.℃)阳台窗通用塑钢保温窗(K=2.5W/m2.℃)单框双玻铝窗(K=3.7W/m2.℃)）双层钢窗(K=3.0W/m2.℃)阳台门塑钢保温阳台门(K=1.35W/m2.℃)双层木质阳台门(K=3.26W/m2.℃)双层木质阳台门(K=3.26W/m2.℃)阳台栏板钢丝网架夹心板（芯材50mm）(K=1.5W/m2.℃)80mm现浇钢筋混凝土20mm水泥砂浆抹灰(K=3.57W/m2.℃)80mm现浇钢筋混凝土20mm水泥砂浆抹灰(K=3.57W/m2.℃)阳台封闭窗通用塑钢保温窗(K=2.5W/m2.℃)单框双玻铝窗(K＝3.7W/m2.℃)单层钢窗(K=6.4W/m2.℃)按上述给出的已知条件代入公式(1-4)，计算n值结果见图3。从计算结果可以分析得出以下几点结论：⑴温差修正系数n值是由封闭阳台的构造决定的，而不随室内外计算温度的变化而变3化。由于()128.012211+⋅⋅+=VcFKFKnpρ，因此()∑∑⋅⋅+VcFKFKpρ28.0/2211越大，n值越小；⑵随着阳台开间的增大，n值总的趋势是减小的；⑶阳台的进深越大，()∑∑⋅⋅+VcFKFKpρ28.0/2211的值越小，n值越大；⑷阳台封闭窗采用节能窗（塑钢保温窗），增强了封闭阳台的保温、密闭性能，相对铝合金窗和钢窗，()∑∑⋅⋅+VcFKFKpρ28.0/2211的值增大，有利于n值减小；⑸采用加保温的栏板，其传热系数在1.0~2.0W/m2.℃之间，增大栏板高度可以减小n值；⑹对于同一开间和进深，建筑C的n值最大，因为其采用保温、密闭性能较差的封闭窗和栏板，∑值较大；建筑A的n值比建筑B大，是因为房间围护结构采用保温墙体，平均传热系数K⋅⋅+VcFKpρ28.0221比建筑B小，即K1F1值较小。因此，不是n值越小封闭阳台系统就越节能，建筑A的封闭阳台n值大，但是由于K1小，供暖房间的热负荷相对建筑B要小。因此减小n值应该从减小∑值着手，即采用保温栏板、保温密闭性能较好的封闭窗、适当的增加阳台的开间以及控制阳台的挑出宽度。⋅⋅+VcFKpρ28.0220.600.650.700.750.800.850.902.12.73.33.94.55.14.86.07.28.49.6开间(m)n值节能建筑A进深1.2m节能建筑A进深1.5m不节能建筑B进深1.2m不节能建筑B进深1.5m不节能建筑C进深1.2m不节能建筑C进深1.5m图3建筑A、B、C各不同开间、进深对应的n值此外，对于底层（顶层）的封闭阳台，由于阳台板（顶棚板）与室外直接接触，会增大，从而使得n值相对中间层增大。图4是以节能建筑A为例，进深为1.5m的底层与中间层封闭阳台的n值的差异，开间越大这种差异也越大，对于大开间的封闭阳台，底层与中间层的n值相差甚至达到0.05。∑22FK0.700.750.800.850.902.12.73.33.94.55.14.86.07.28.49.6开间(m)n值中间层底层图4建筑A底（顶）层与中间层n值的比较43．冷风渗透量对封闭阳台温差修正系数的影响阳台的封闭增加了阳台门窗的渗风阻，从而减少了阳台门窗的渗风量（是原来渗风量的β倍）。由室外渗入室内的冷空气量V的计算公式如下：V=β.m.a.L.lm3/h(3-1)L―根据冬季室外平均风速，主导风向的每米缝隙渗入的空气量(m3/h)；l—房间门窗缝隙长度，m；a—各朝向冷空气渗入量修正值；β—阳台封闭后，对房间门窗每米缝隙渗风量的修正系数；()bblala⎥⎦⎤⎢⎣⎡+=1221111β[]4；m—渗入冷空气量的综合修正系数。以节能建筑A封闭阳台为例，表2、表3分别为根据公式(1-4)、(3-1)计算的七层住宅和二十层住宅各层的冷风渗透量V以及n值。表2七层住宅建筑各层封闭阳台的V与n层数1234567V40.2334.5728.3621.7715.487.130n0.8750.8570.8500.8430.8360.8250.837表3二十层住宅建筑各层封闭阳台的的V与n层数12345678V76.9972.2867.4562.5658.25453.8048.9543.79n0.8950.8850.8820.8790.8760.8720.8690.865层数910111213141516V38.3232.1925.2917.637.13000n0.8600.8540.8470.8380.8250.8020.8020.802层数17181920V0000n0.8020.8020.8020.814从表2、表3可以看出：由于各层阳台的渗风量V不同，使得n值有差异，顶层的封闭阳台的n值要比底层的小。这种层间差异对于多层建筑很小，因此可以忽略；对于高层建筑中却体现得非常明显，必须考虑到冷风渗透量对n值的影响。4．太阳辐射对封闭阳台温差修正系数的影响南向（或者东西向）封闭阳台可以视为一个附加式日光间，从节能角度上它是一种被动式太阳能采暖的一种方式。目前我国的封闭阳台无论是居民自己改造的或按设计建造的都只5能说是一种简易的日光间，尽管它的集热、存储和转换太阳能的功能比较差，属于低效蓄能体系，但低效蓄能体系的阳光辐射利用率在70％以上，因此不能忽略这种附加日光间效应，而简单的用附加朝向修正来考虑阳光辐射的影响。用HOBO自动测温计对吉林、长春、哈尔滨等地7栋住宅建筑的封闭阳台测试发现：构造相同的封闭阳台在相同的室外温度下，南向的温度要比北向的平均温度高5～9℃，东向阳台比北向阳台高2~4℃，显然这种现象是由阳台的日光间效应引起的。对大量的测试数据整理确定：南向阳台与北向阳台的n值之比η=0.65~0.75，东、西向阳台与北向阳台的n值之比η=0.8~0.85。5．研究方法的实验验证需要指出，以上研究方法是建立在稳态热平衡理论基础上，这种理论方法适用于计算长期负荷累积值，以及被动房供暖保证率与节能百分率。为了验证这种方法同样适合于温差修正系数的分析研究，对上述7栋住宅的封闭阳台的实测值与计算值比较，最大相对误差均不超过14%，从而说明了本文的研究方法是能够达到一定精度的。6．封闭阳台温差修正系数的确